מיקרוביולוגיה

מִיקְרוֹבִּיוֹלוֹגִיָה (מיוונית: "μῑκρος" - מיקרוס, קטן; "βίος" - ביוס, חיים; ו-"-λογία" - לוגיה, סיומת המשמשת בשמות מדעיים רבים) היא תחום בביולוגיה, העוסק במבנה ובתפקוד של מיקרואורגניזמים - יצורים שכדי לראותם יש להשתמש במיקרוסקופ.

קיימים שלושה סוגי מיקרואורגניזמים: ארכאונים (Archaea), איקריוטים וחיידקים, הנבדלים בצורתם, בגודלם ובדרך חייהם. בנוסף לחקר מיקרואורגניזמים, התחום עוסק בחקר נגיפים, וירואידים, שהם חלקיקים מיקרוסקופיים חסרי תאים ואינם מקיימים את ההגדרה המלאה של המושג אורגניזם. אך המיקרוביולוגיה חוקרת את כל היצורים הקטנים שלא ניתן לראותם בעין בלתי מזוינת גם אם אינם אורגניזמים.

במיקרוביולוגיה קיימים מספר תתי-תחומים עיקריים: תורת החיידקים (בקטריולוגיה), תורת הנגיפים (וירולוגיה), תורת הפטריות (מיקולוגיה), תורת הטפילים (פרזיטולוגיה) ותורת האצות (פיקולוגיה).

היסטוריה

אנטוני ואן לוונהוק אבי תורת המיקרוביולוגיה

• עוד לפני המאה ה-17, שבה החלו לחקור את החיידקים, העלו מספר חוקרים השערות בנוגע לאופן העברת מחלות. כך למשל בשנת 1020 פורסם הספר הקנון של הרפואה שנכתב על ידי אבן סינא המתאר את המחלות הידועות בתקופתו. בספר מוצגת ההשערה בנוגע לשחפת ומחלות מידבקות אחרות שהן עוברות באוויר. הוא אף ממליץ לטפל בהתפשטות המחלות בעזרת בידוד.
• בשנת 1546, ג'ירולמו פרקסטורו מעלה השארה בספרו על הדבקה ומחלות מידבקות כי המחלות נגרמות מיצורים חיים.
• 1677: גילוי הבקטריות על ידי אנטוני ואן לוונהוק שנחשב לאבי תורת המיקרוביולוגיה. הוא כינה ייצורים אלו אנימלקולס מלטינית: יצורים קטנים.
• 1828: כריסטיאן גוטפריד אהרנברג היה הראשון שהשתמש בשם בקטריה.
• 1840: הפתולוג הגרמני יאקוב הנלה מעלה את התאוריה למחלות מידבקות.
• 1857-1895: לואי פסטר מראה במחקריו כי המחלות נגרמות על ידי מיקרואורגניזמים. היה הראשון שביצע מחקרים מסודרים על מספר מחלות כמו גם על חיסונים. במחקריו דחה את תאוריית הספונטניות.
• 1873-1882: רוברט קוך הצליח לגלות את החיידק שגורם למחלת השחפת. בנוסף ניסח (ביחד עם הנלה) את העיקרים של קוך הקובעים אם ומתי אורגניזם הוא פתוגני.
• 1884: הרופא דני הנס כריסטיאן גראם המציא שיטה ראשונית לסיווג חיידקים. השיטה נקראת על שמו צביעת גראם.
• 1912: פאול ארליך פיתח לראשונה טיפול יעיל נגד עגבת.
• 1917: גילוי הבקטריופאג' על ידי המיקרוביולוג האנגלי פרדריק טוורט והביולוג הקנדי ממוצא צרפתי, פליקס ד'הרל (Félix d'Hérelle).
• 1928: הרופא והגנטיקאי פרדריק גריפית' גילה שחיידקים יכולים להעביר חומר תורשתי בתהליך שנקרא טרנספורמציה. הגילוי הזה הוא אבן היסוד של הגנטיקה מולקולרית.
• 1929: אלכסנדר פלמינג גילה חומר אנטי-בקטריאלי שאותו כינה פניצילין. הפניצילין הוא האנטיביוטיקה הראשונה שהתגלתה.
• 1944: אלברט שץ וזלמן אברהם וקסמן גילו את הסטרפטומיצין שהייתה התרופה האנטיביוטית הראשונה מסוגה שנתגלתה, ממשפחת ה'אמינו-גליקוזידים' והתרופה הראשונה שהופקה למחלת השחפת.
• 1960: פרנסואה ז'קוב וז'אק מונו ערכו לראשונה ניסוי באופרון לבקרת ביטוי הגנים באופרון. מחקר זה היווה דוגמה ראשונה לויסות רמות מנגנון האנזימים בכל התאים בדרך של שעתוק.
• 1977: קארל ווס חקר את הRNA ריבוזומלי וגילה צורת חיים שלישית, הארכאונים (Archaea), בנוסף לאיקריוטים ולחיידקים.
• 1986: בשימוש באחד מהאנזימים של החיידק Thermus aquaticus, קארי מוליס המציא את ה-PCR, טכניקה מרכזית בביולוגיה מולקולרית שמאפשרת הגברה של קטעי DNA ספיציפיים. טכניקה זו נמצאת בשימוש עד לימינו בין השאר לזיהוי מינים נכחדים בהמצאות ה-DNA וכן לבדיקות זירות פשע ובדיקת אבהות.
• 1995: בוצע מיפוי שלם ראשון של הגנום של החיידק Haemophilus influenzae על ידי קרייג ונטר וחבריו ב-TIGR (המכון למחקר גנטי). מיפוי זה היה מיפוי גנום שלם ראשון של יצור חי.

סיווג המיקרואורגניזמים

סוגי מיקרואורגניזמים

השוואה בין תא פרוקריוטי לתא איקריוטי

המחקר האנטומי של סוגים שונים של מיקרואורגניזמים אפשר לסווג אותם לשלוש קבוצות גדולות: הפרוקריוטיים (בעלי תא חסר גרעין) והאיקריוטיים (בעלי תא עם גרעין) והוירוסים שהם מיקרואורגנזמים ללא יכולת התרבות עצמית, ותלויים במאכסן משתי הקבוצות הראשונות לצורך התרבותם.

הפרוקריוטיים מחולקים מבחינה טקסונומית לשתי על-ממלכות:

• ארכאונים
• חיידקים

האיקריוטים היא על-ממלכה בפני עצמה וכוללת מגוון גדלים של אורגניזמים מבין שלושת העל-ממלכות, החל מחד תאיים ועד לרב תאיים. המיקרוביולוגיה, כאמור, עוסקת רק ביצורים הקטנים ולכן עוסקת בחד תאיים כדוגמת:

• פרוטוזואה
• ריריות
• אצות חד-תאיות
• פטריות חד-תאיות.

אנליזות גנטיות הוכיחו שארכאונים שונים מחיידקים באותה מידה שהם שונים מאיקריוטים מבחינה פילוגנטית.

תכונות המיקרואורגניזם

הפרוקריוטים

הפרוקריוטים הם אורגניזמים שבתא שלהם אין גרעין. את הפרוקריוטים נהוג לשייך לשני טקסונים:

• ארכאונים. רוב האקסטרמופילים (חיים בסביבות קיצוניות כגון בתנאיי חום קיצוניים, תנאי יובש, תנאי לחץ וכדומה) הם מקבוצה זו. אולם, חלק מהארכאונים חיים בסביבות רגילות כגון בביצות או במערכת העיכול כך שאי אפשר לשייך אוטומטית את הארכאונים לאקסטרמופילים, גם אם אנו מוצאים בקבוצה זו את רוב האקסטרמופילים.
• חיידקים, אלו החיידקים המוכרים ביותר הנמצאים בסביבה שלנו כגון בקרקע, במזון ובגוף האדם. עם זאת, חלק מהחיידקים הם אקסטרמופילים.

האיקריוטים

בניגוד לפרוקריוטים, לאיקריוטים יש גרעין שסביבו יש קרום המשמש כממברנה (מפריד בין סביבת הגרעין לסביבה שמחוץ לגרעין). הקרום וכן שלד התא גורמים לאיקריוטים להיות גדולים מהפרוקריוטים. את האיקריוטים נהוג לחלק למספר ממלכות:

• אצות: בשונה מהפטריות ומהפרוטוזואה, האצות מכילות כלורופיל המאפשר להן לבצע פוטוסינתזה כך שהן מזינות את עצמן (אוטוטרוף). האצות גדלות בקרקע, בצמחים, במים מתוקים ובמי ים.
• פטריות: רוב הפטריות ניזונות מרקב של אורגניזם (חומר אורגני לא חי), אך, קיימות פטריות הניזונות מחומר אורגני חי בצורה טפילית. הפטריות גדלות בקרקע, בצומח, בפסולת צמחית וכפרזיט של גוף האדם, צמחים ובעלי חיים.
• פרוטוזואה: בניגוד לאצות לפרוטוזואה אין דופן תא ולכן חלקן ניזונות בצורת אנדוציטוזה (המזון נקלט על ידי קרום התא)-למשל אמבות. הפרוטוזואה גדלה בקרקע, מים מתוקים, מי ים אך גם כפרזיטים של גוף האדם ובעלי חיים.
• למרות שאנו כוללים באיקריוטים גם את ממלכת הצומח (בעל זיקה לאצות) ואת בעלי חיים (בעל זיקה לפרוטוזואה) הם לא מוגדרים כמיקרואורגניזם מפני שהם לא חיים ולא מתרבים בצורה של חד-תאיים.

גודל המיקרואורגניזם

כפי שהוזכר בהתחלה, המיקרואורגניזמים קטנים בגודלם:

• רוב הפרוקריוטים הם בסדר גודל של 0.5 מיקרון (10^-7*5 מטר) ועד 3 מיקרון (10^-6*3 מטר). כושר ההפרדה של העין הוא 100 מיקרון, כך שתאי המיקרואורגניזמים הבודדים קטנים מכדי להראות לעין. יש יוצאי דופן לשני הכיוונים.
• האיקריוטים הם בגודל של 2-200 מיקרון, כך שחלק מתאי האיקריוטים הגדולים כן נראים לעין (כגון אצות חד תאיות).

תחומי מחקר במיקרוביולוגיה

במיקרוביולוגיה קיים מספר רב של תתי תחומים:

• בקטריולוגיה: תחום העוסק בחקר החיידקים.
• וירולוגיה: תחום העוסק בחקר הנגיפים.
• מיקולוגיה: תחום העוסק בחקר הפטריות.
• פרזיטולוגיה: תחום העוסק בחקר הטפילים.
• פיקולוגיה: תחום העוסק בחקר האצות.
• פיזיולוגיה מיקרואורגניזמית: תחום העוסק בחקר אופן הפעולה הביוכימית של תאים של מיקרואורגניזם. תחום זה כולל מחקר על גדילה של מיקרואורגניזם, חילוף חומרים של מיקרואורגניזם, ומבנה תא של מיקרואורגניזם.
• גנטיקה של מיקרואורגניזם: תחום העוסק בחקר הגנטיקה של המיקרואורגניזם. בוחן איך הגנים מסודרים, ויחס בין הגנים לפעולה התאית שלהם. תחום זה קרוב לביולוגיה מולקולרית.
• מיקרוביולוגיה תאית: תת-תחום של ביולוגיה תאית החוקר את יחסי הגומלין בין המיקרואורגניזמים לתאים אליהם הם פולשים.
• מיקרוביולוגיה רפואית: תחום העוסק בחקר חיידקים פתוגניים (חיידקים הגורמים מחלות) ובחלק שלהם במחלות בבני אדם. בנוסף, התחום עוסק בחקר חיידקים הגורמים למגפות התחום גם קשור לתחום הפתולוגיה והאימונולוגיה (חקר מערכת החיסון).
• מיקרוביולוגיה וטרינרית: תחום העוסק בחקר חיידקים פתוגניים במחלות בבעלי חיים.
• מיקרוביולוגיה סביבתית: תחום העוסק בחקר הרכב החיידקים ופעולת החיידקים בסביבתם הטבעית. התחום כולל גם מחקר של אקולוגיה חיידקית, גאומיקרוביולוגיה ושונות של החיידקים. כמו כן, המחקר מנסה למצוא מפתחות למושבות של חיידקים בכל מיני סביבות כגון: ריזוספירה (מערכת אקולוגית של שורשים), קרקע, מערכת אקולוגית של מי תהום, אוקיינוס או סביבות קיצוניות (אקסטרמופילים).
• אבולוציה מיקרוביולוגית: תחום העוסק בחקר האבולוציה של החיידקים. חקר זה כולל את חקר מיון עולם הטבע של החיידקים.
• מיקרוביולוגיה תעשייתית: תחום העוסק המחקר מיקרואורגניזם שיכול לשמש בתהליכים תעשייתיים. למשל שימוש בחיידקים בתהליכי תסיסה, טיהור שפכים, בישול בירה וכדומה. תחום זה קרוב גם לתחום הביוטכנולוגיה.

מחקרים במיקרוביולוגיה

במרוצת השנים מחקרים במיקרוביולוגיה הניבו מספר פיתוחים חשובים אשר תרמו לאנושות לשיפור אורך החיים וכן להבנת מאפיינים שונים של האורגניזם.

פסטור

ערך מורחב – פסטור

ממציא תהליך הפסטור

תהליך שהומצא באמצע המאה ה-19 על ידי לואי פסטר וקלוד ברנרד ונועד לצמצם משמעותית את מספר המיקרואורגניזמים (לרוב חיידקים ופטריות) מנוזלים, על מנת להאריך את חיי המדף של הנוזל מבלי לפגוע בערך התזונתי שלו. התהליך מתחיל מחימום הקוטל כמות ניכרת של המיקרואורגניזמים ואז קירור הנוזל לטמפרטורה נמוכה המונעת התרבות של האורגניזם ששרד את החימום. מאחורי התהליך עומד הרעיון שככל שיהיו פחות מיקרואורגניזמים בנוזל, כך יתעכב ויתארך משך הזמן שבו הנוזל אינו מתקלקל ואינו מזיק לבריאות.

עיקור וחיטוי

ערכים מורחבים – עיקור (מיקרוביולוגיה), חיטוי

תהליכי העיקור (סטריליזציה, בלעז) נועדו להרוג את כל המיקרואורגניזמים הקיימים. החיטוי קוטל מיקרואורגניזמים באמצעיים כימיים. שני התהליכים משמשים בתעשייה וברפואה למניעת זיהומים. התהליכים האלה מבוצעים על מיקרואורגניזמים מחוץ לגוף האדם.

פיתוח אנטיביוטיקה

ערך מורחב – אנטיביוטיקה

אנטיביוטיקה היא קבוצת תרכובות אורגניות הגורמות למותם או להפסקת גדילתם של חיידקים. רוב האנטיביוטיקות מיוצרות באופן טבעי על ידי פטריות, חיידקים ויצורים אחרים. האנטיביוטיקות שנעשה בהן שימוש רפואי בדרך-כלל אינן מזיקות לבעלי חיים ולבני אדם,ולכן נעשה בהן שימוש נרחב ביותר כתרופות. ישנם חומרים קוטלי חיידקים ממקור פטרייתי שהם רעילים בני אדם ובעלי חיים. האנטיביוטיקה הראשונה, הפניצילין, התגלתה בשנת 1928 על ידי אלכסנדר פלמינג שזכה בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה ביחד עם ארנסט בוריס צ'יין שדיווח ב-1940 על שימוש בחומר שהתגלה לריפוי ויחד עם הוארד פלורי שדיווח על זנים עמידים באותה שנה. גילוי זה גרם לחקר ופיתוח סוגים נוספים של אנטיביוטיקה ולשיפור של אנטיביוטיקות קיימות כדי שיתנו מענה למגוון גדול יותר של פתוגנים.

מיפוי גנום חיידקי

מיפוי הגנום של חיידקים משמש להבנת אופן הפעולה של החיידק ומאפשר למצוא תרופה או דרך טיפול לאנשים שנדבקו באותו חיידק. מיפוי גנום שלם ראשון נעשה על החיידק Haemophilus influenzae. שיטות שנמצאו והומצאו לטובת מיפוי זה, עזרו לאחר מכן בפרויקט הגנום האנושי.